耐火砖成型模板的失效分析与选材
耐火砖成型模板工作面大，在t压力机上承受着耐火材料坚硬颗粒的挤压、刮削和研磨，其服役条件较为恶劣。因此要求模具工作面具有高硬度、高耐磨性、足够的强度和适当的韧性。国外有使用高合金冷作模具钢制作模板，热处理后表面硬度高、耐磨性好，但脆性大，模具安装时易开裂，且成本高。国内不少耐火材料厂曾试用高铬铸铁、高碳铬钼耐磨合金以及硬质合金等，或对碳钢制模具进行渗硼表面强化，或渗碳与硼氮共渗复合处理等。但由于种种原因未得到广泛应用。
某厂选用10钢制作模板，原采用℃×8h高温固体渗碳，后又改用℃×15h气体渗碳预冷到℃后冰盐水淬火，经矫直后即可使用。材料成本低，机加工及热处理比较简便，故应用较广。但由于模板选材不当，以及热处理工艺方面存在着一些问题，因而模板使用寿命较短。本试验选用稀土镁球铁制作模板，并进行适当的热处理，使其使用寿命是原10钢的1.6~2.0倍。
1钢制模板的失效形式及原因
1.1模板失效形式
某厂A4型或C34C型方管砖成型模具一套7件，其中前后左右侧面四块模板所受磨损最为严重，失效较早。一般每套模具约冲压0~块耐火砖即告失效。A4型模板简图如图1所示。模板失效形式多种多样，除了操作以及安装不当而失效外，下列几种失效形式较多见。
(1)模板服役表面各处磨损均匀,当模板下部砖坯成型部位磨损很大时,砖坯尺寸超差,或造成砖坯脱模困难,模板即告失效,此种失效属正常失效。
(2)模板下部砖坯成型部位,板面各处磨损不同步,致使表面出现大小不一,形状不同的凹坑。砖坯脱模时受到阻碍,脱模后砖坯表面出现皱裂,模板即告失效,此种失效形式较为普遍。
(3)模板板面先形成凹坑,此后凹坑在坚硬颗粒的刮削作用下不断沿板面长度方向扩展而磨出一道或多道深浅不一、宽窄不同的沟槽,致使模板报废,此种失效形式也较多见。
1.2模板失效原因
采用线切割机将成品模板横向切开,制成试样,进行金相分析和硬度测试。10钢制模板失效原因主要有以下几个方面。
(1)模板渗碳层浅,且碳浓度不高。取自模板的试样,经用高温防氧化脱碳涂料保护退火后,用金相法测定了渗碳层深度,并大致估计了表层含碳量。渗层深度只有1.4~2.0mm。显微组织观察表明,表层含碳量不高,只在模板最表层出现少量不连续的二次渗碳体网,估计表层含碳量约为0.8%~0.9%。模板渗层浅,淬火后淬硬层深度也浅。由于表层碳浓度不高,淬火状态下不存在二次碳化物,因此,模板的耐磨性也不会太高。
(2)模板渗碳层浅,过渡区窄,内层硬度低。硬度测定表明,自模板表面至心部硬度降低很快,硬度梯度很大,某些部位距表面1.5mm处硬度就已降至HRC30以下。表层一经磨损,模板的耐磨性将急剧下降。
(3)模板各处硬度极不均匀,存在着许多软点区。高硬度区域的硬度达HRC62,软点区域的硬度则为HRC35以下。硬度高的区域耐磨性较好,不易磨损,而软点区域耐磨性差,极易磨损而下陷,即各处磨损不同步致使模板过早出现凹坑。
上述是导致模板过早失效的主要原因。这是由于模板材料选择不当和热处理工艺存在着一些问题所造成的。
2耐火砖成型模板选材分析
模板的选材有两个原则,一是成本低,二是使用寿命长。
某厂选用10钢制作方管砖成形模板。A4型模板前后左右侧面共计四块,成品重22kg。C34C型模板四块,成品重38kg。原材料需要外购,价格较贵,且供应困难。选用稀土镁球铁,可采用冲天炉或中频感应炉熔炼,设备简单,加工简易,成本较低。
方管砖成型模板经机加工后须进行高温渗碳,以使模板表面获得足够深的淬硬层,具有高硬度、高耐磨性的淬硬层愈深,模板的使用寿命愈长。要达此目的,10钢制模板原采用℃×8h固体渗碳,后改用℃×15h气体渗碳,预冷至℃后冰盐水中淬火。尽管如此,模板表面碳浓度不高,渗层浅,过渡区窄,淬硬层也浅,表面硬度不均匀,内层硬度低。因而模板失效较早,使用寿命不长。
选用稀土镁球铁制作模板,可避免10钢制模板的诸多不足。球铁组织中存在着大量的球状石墨,它相当于一个天然的“碳库”,在淬火高温加热时,“碳库”中的碳可部分地溶于奥氏体中,温度越高,保温时间越长,奥氏体中的含碳量越高。文献[5]报道,加热温度℃时,奥氏体中的碳浓度达1.10%,℃时可达1.20%。同时炉气中的碳不断渗入工件表层,并向内层扩散,因此经高温渗碳后,球铁模板表层及内层基体的碳浓度比同样条件下的10钢制模板要高得多。实际生产试验中,球铁模板只需在℃加热保温2h渗碳即可。与10钢制模板相比,可节约大量能源。球铁中硅含量较多,硅增加淬透性,一般在油中淬火也能淬透,保证了球铁模板表层和内层的高硬度、高耐磨性,这是稀土镁球铁模板使用寿命长的主要原因。球铁的淬透性高,可采用机油或变压器油作淬火介质,使用过程中也不易污染,且随油温升高,冷却能力提高。因而球铁模板淬火时,模板表面各处冷却速度加快,冷却速度一致,硬度分布均匀。
由上述分析可知,选用稀土镁球铁代替10钢制作方管砖成型模板是完全可行的,且可降低成本,提高使用寿命。
3球铁模板的制造工艺
3.1毛坯的铸造
选用的稀土镁球铁的化学成分(质量分数,%)为:3.6~3.8C、2.0~2.4Si、0.5~0.7Mn、P0.10、S0.03、0.03~0.05Mg、0.03~0.05RE。所用炉料为本溪铸造生铁(Z14、Z18、Q10、Q12),硅铁(含Si为75%),锰铁(含Mn为65%),废钢及回炉料。采用铸造焦,固定碳大于80%。生铁及回炉料均预先砸成尺寸小于mm,重量小于10kg的块料。废钢切割成尺寸小于mm,重量小于7kg的块料,并清除表面粘砂和铁锈。
球化剂为FeSiMg10RE9,加入量为铁液质量的1.6%,其粒度为10~15mm,采用堤坝式仓底冲入法进行球化处理。孕育剂为75SiFe,加入量为铁液质量的0.8%,其粒度为10~15mm,二次孕育加入量为铁液质量的0.2%,其粒度为3~5mm。
采用冲天炉熔炼,熔化速率为2t/h,熔化温度为~℃,浇注温度控制在~℃,浇注时间应控制在20min以内,以避免球化衰退。采用砂型铸造,型腔刷石墨涂料。
球铁试样的石墨形态如图2所示,球化率为1级,石墨大小为6级。
3.2模板热处理
模板毛坯在切削加工之前先进行去应力退火,即加热到~℃,保温3h后缓冷,消除铸造内应力,防止模板机加工之后发生变形。模板机加工之后,需进行渗碳、淬火和低温回火处理,热处理工艺曲线如图3所示。
采用气体渗碳,模板在井式渗碳炉中加热到℃,保温2h。渗碳后预冷到℃于油中淬火。淬火后组织不稳定,脆性大,淬火内应力也大,须立即进行回火,以防止模具变形开裂。回火温度为℃,保温2.5h。
4模板试制结果及分析
模板渗碳、淬火,再经低温回火后即可投入使用。16套稀土镁球铁模板分4组(每组4套)分别在4台压力机上与10钢制模板同时进行了压砖试验对比。第一组4套球铁模板平均寿命为块/套,10钢制模板为块/套。第二组球铁模板使用寿命为块/套,10钢制模板为块/套。第三组球铁模板使用寿命为块/套,10钢制模板为块/套。第四组球铁模板使用寿命为块/套,10钢制模板为块/套。试验结果表明,球铁模板使用寿命是10钢的1.6~2.0倍。
采用线切割机从分析模板中切取试样,进行了金相显微组织观察、分析和硬度测定。
球铁模板渗碳温度为℃、加热时间短(2h)因此球铁模板表层组织细小均匀,由细小针状马氏体少量残留奥氏体和球状石墨组成,如图4所示。组织越细小,其力学性能越好,耐磨性越高。10钢模板滲碳温度℃,但加热时间长(15h,其表面组织粗大。
测定了模板表面至心部的硬度,球铁和10钢模板表面至心部硬度分布如图5所示。球铁模板表层硬度内层硬度、心部硬度都较高,这是球铁模板寿命高的采用线切割机从分析模板中切取试样,进行了金相显微组织观察、分析和硬度测定。球铁模板渗碳温度为℃、加热时间短(2h)因此球铁模板表层组织细小均匀,由细小针状马氏体少量残留奥氏体和球状石墨组成,如图4所示。组织越细小,其力学性能越好,耐磨性越高。10钢模板滲碳温度℃,但加热时间长(15h,其表面组织粗大。测定了模板表面至心部的硬度,球铁和10钢模板表面至心部硬度分布如图5所示。球铁模板表层硬度内层硬度、心部硬度都较高,这是球铁模板寿命高的主要原因。由图5可看出,球铁模板距表面6mm处(接近心部),其硬度仍然在HRC50以上,而10钢模板距表面2mm处,硬度就陡降至HRC40以下。
球铁模板表面硬度均匀,一般在HRC59~61,这就保证了模板在使用过程中表面各处磨损基本同步,从而避免了表面出现凹坑,使模板寿命提高。如前所述,10钢模板表面各处硬度极不均匀,存在着许多软点区,使用时各处磨损不同步,致使模具过早出现凹坑而失效,寿命降低。
5结论
(1)渗碳层深浅不一、淬硬层浅、过渡区窄、表面硬度极不均匀、内层硬度低,是10钢制模板过早失效的主要原因。
(2)稀土镁球铁模板经热处理后,表层组织细小,表面硬度高且均匀,内层硬度、心部硬度也较高,耐磨性好,使用寿命是10钢模板的1.6~2.0倍。
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